基于CATIA/ADAMS的麥弗遜懸架運(yùn)動分析

諸葛 曉宇

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢430070)

1 懸架的作用、分類

汽車懸架是汽車車輪與車身之間一切裝置的總稱。其功用在于:在垂直方向能夠衰減振動和起懸掛作用;在側(cè)向可防止車身側(cè)傾和左右車輪載荷轉(zhuǎn)移;在行駛方向上能夠保證驅(qū)動與制動的實(shí)現(xiàn)，并保持行駛方向的穩(wěn)定性。起著傳遞車輪和車身之間的力和力矩、引導(dǎo)與控制汽車車輪與車身的相對運(yùn)動、緩和路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊、衰減系統(tǒng)的振動等作用，汽車懸架系統(tǒng)對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性都有很大的影響。

在設(shè)計(jì)懸架時(shí)，懸架的結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。由此可見懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中占重要地位?，F(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種各樣的不同的結(jié)構(gòu)形式，但是一般懸架由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器三部分組成:其中，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括橫向推力桿和縱向推力桿。

根據(jù)汽車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不同懸架種類又可分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架。對于非獨(dú)立懸架，兩側(cè)車輪安裝于一整體式車橋上，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊力時(shí)會直接影響到另一側(cè)車輪上，當(dāng)車輪上下跳動時(shí)定位參數(shù)變化小?？刹捎娩摪鍙椈勺鲝椥栽杉嫫饘?dǎo)向作用，使結(jié)構(gòu)大為簡化，降低成本。目前廣泛應(yīng)用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用非獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大，高速行駛時(shí)懸架受到?jīng)_擊載荷比較大，平順性較差。

獨(dú)立懸架是兩側(cè)車輪分別獨(dú)立地與車架 (或車身)彈性地連接，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊，其運(yùn)動不直接影響到另一側(cè)車輪，獨(dú)立懸架所采用的車橋是斷開式的。這樣使得發(fā)動機(jī)可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨(dú)立懸架允許前輪有大的跳動空間，有利于轉(zhuǎn)向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時(shí)獨(dú)立懸架非簧載質(zhì)量小，可提高汽車車輪的附著性。獨(dú)立懸架的左右車輪不是用整體車橋相連接，而是通過懸架分別與車架 (或車身)相連，每側(cè)車輪可獨(dú)立上下運(yùn)動。

2 麥弗遜懸架

麥弗遜懸架是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化。這種懸架構(gòu)造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。懸掛重量輕和占用空間小，從而懸掛的運(yùn)動部件輕，懸掛的響應(yīng)速度和回彈速度就會越快，減震能力也越強(qiáng);而且懸掛質(zhì)量減輕也意味著簧下質(zhì)量減輕，在車身重量一定的情況下，舒適性也越好。所以，目前轎車使用最多的獨(dú)立前懸架是麥弗遜式懸架。

麥弗遜懸架是一種典型的獨(dú)立懸架，由兩個基本部分組成:支柱式減震器和A字形托臂。其結(jié)構(gòu)緊湊，把減震器和減震彈簧集成在一起，組成一個可以上下運(yùn)動的滑柱;A字型托臂設(shè)計(jì)，是用于給車輪提供部分橫向支撐力，以及承受全部的前后方向應(yīng)力。整個車身的重量和在運(yùn)動時(shí)汽車車輪所承受的所有沖擊就由這兩個部件承擔(dān)。為了保證系統(tǒng)合理的受力，延長減振器的使用壽命并滿足其使用性能要求，在布置上采用主銷和減振器中心線不共線的形式，如圖1所示。該布置形式?jīng)Q定其對應(yīng)于不同的車輪跳動位置，各點(diǎn)至主銷的距離是變化的。而在其他懸架系統(tǒng)中，對應(yīng)于不同的車輪跳動位置，各點(diǎn)至主銷的距離不變。在三線不共線的麥弗遜式懸架系統(tǒng)中，當(dāng)車輪上下跳動時(shí)，下擺臂外鉸接點(diǎn)將隨下擺臂上下擺動，故主銷軸線的角度是變化的，這說明車輪是沿著擺動的主銷軸線而運(yùn)動。因此，這種懸架在變形時(shí)，使得主銷的定位角和輪距都有些變化。然而如果適當(dāng)調(diào)整桿系的結(jié)構(gòu)的布置，可以使車輪的這些定位參數(shù)變化很小。麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 CATIA軟件簡介

CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，CATIA是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的縮寫，是世界一流的集CAD/CAM一體化于一身軟件之一。作為較前沿的三維CAD/CAM軟件，它在世界范圍內(nèi)被廣泛采用于航空、汽車、船舶的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域;CATIA在過去的二十多年里一直保持著驕人的業(yè)績，并繼續(xù)保持著其強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢。該軟件雖然源于宇航業(yè)，但現(xiàn)在該軟件廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，如汽車制造業(yè)、船舶制造業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、電子、電器業(yè)、消費(fèi)品行業(yè)等。

CATIA在汽車行業(yè)的運(yùn)用十分廣泛，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。CATIA在零部件設(shè)計(jì)、造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特的長處，為各種車輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對端的解決方案。CATIA涉及產(chǎn)品、加工和人三個關(guān)鍵領(lǐng)域。其可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

4 ADAMS軟件簡介

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司 (Mechanical Dynamics Inc)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。

5 懸架系統(tǒng)幾何模型

5.1 懸架模型的簡化

在用CATIA軟件建立麥弗遜懸架模型時(shí)，需要先通過軟件中的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊對懸架的各個部件設(shè)計(jì)出來，隨后進(jìn)行裝配，再后進(jìn)行仿真分析。汽車懸架是一個比較復(fù)雜的汽車部件，為了使汽車懸架的樣機(jī)模型能夠在ADAMS軟件中實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真，在這里需要做出一些合理的假設(shè)和簡化。對一些不影響動態(tài)仿真的部件進(jìn)行省略，而對于對分析結(jié)果影響較大的部件，在建模型時(shí)要引起足夠的重視。

作出的主要簡化如下:

(1)在對懸架進(jìn)行運(yùn)動仿真時(shí)，為了定義固定件的方便，這里只將把車架和懸架連在一起的軸銷畫出。

(2)汽車是關(guān)于汽車中心線對稱的，所以可以只建立汽車懸架的四分之一模型，可以在CATIA中得用鏡像工具完成懸架的建模。

5.2 CATIA內(nèi)模型的建立

5.2.1 螺旋彈簧模型

螺旋彈簧用于獨(dú)立懸架中，它只承受垂直載荷，在此載荷作用下，鋼絲內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，將外界對汽車懸架的沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，從而緩沖了不平路面的沖擊。為了突出懸架的功能特點(diǎn)，在建懸架的模型時(shí)，需要將螺旋彈簧模型建立起來。

在CATIA中建立的螺旋彈簧模型如圖2所示。

5.2.2 懸架減振器模型

懸架系統(tǒng)中由于彈性元件受沖擊產(chǎn)生振動，為了改善汽車行駛的平順性，懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝減振器，這樣可以衰減振動。汽車懸架系統(tǒng)中采用減振器多是液力減振器，其工作原理是當(dāng)車架 (或車身)和車橋間受振動出現(xiàn)相對運(yùn)動時(shí)，減振器內(nèi)的活塞上下移動，減振器腔內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個腔經(jīng)過不同的孔隙流入另一個腔內(nèi)。此時(shí)孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對振動形成阻尼力，使汽車振動能量轉(zhuǎn)化為油液熱能，再由減振器吸收散發(fā)到大氣中。在這里選用的是筒式減振器，懸架的螺旋彈簧套在減振器的套筒上，在車輪受到外力沖擊時(shí)，懸架的上下擺臂會發(fā)生運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到一定程度時(shí)，會壓迫彈簧，只是彈簧發(fā)生壓縮變形，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換，緩和沖擊;同時(shí)，減振器根據(jù)其減振原理發(fā)生變化。

在CATIA中建立的減振器模型如圖3所示。

5.2.3 汽車輪胎模型的創(chuàng)建

汽車輪胎可以是個旋轉(zhuǎn)體，也可以不是。建立了如下的汽車輪轂和輪胎模型。

輪胎模型如圖4所示。

5.2.4 裝配模型

在CATIA裝配模塊中將創(chuàng)建好的各部件模型進(jìn)行裝配，裝配好的模型如圖5所示。

6 仿真

將建立好的麥弗遜懸架導(dǎo)入ADAMS，給車輪添加一個驅(qū)動約束作為運(yùn)動激勵，如圖6所示。

文中主要從主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束4個方面分析。圖3～6分別為主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、前束角與車輪運(yùn)動關(guān)系圖。

從圖7～10可看出:車輪上下跳動±100 mm的范圍內(nèi)，麥弗遜式懸架主銷后傾角變化范圍是2.2°～4.1°，車輪上下位移為0時(shí)，后傾角接近2.5°;主銷內(nèi)傾角變化范圍是9.8°～11.8°，車輪上下位移為0時(shí)，內(nèi)傾角接近10°;車輪外傾角變化范圍是－0.9°～1.0°，車輪上下位移為0時(shí)，車輪外傾角接近0.8°;前束變化范圍是 －1.5°～0.6°，車輪上下位移為0時(shí)，前束接近0.1°。

試驗(yàn)結(jié)果表明此麥弗遜式懸架的輪胎定位參數(shù)的初始值符合要求，證明模型是合理的，輪胎的磨損也在可接受的范圍內(nèi)。但主銷內(nèi)傾角與設(shè)定值相比偏小，前束值接近峰值，該懸架可能存在以下問題:車輛低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向回正力矩不足，有時(shí)會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向費(fèi)力，影響操作穩(wěn)定性;前束值偏大，長期會造成輪胎過度磨損。

7 結(jié)果分析

7.1 定位參數(shù)優(yōu)化

主銷內(nèi)傾角越大，越有利于減小輪胎的磨損，但是主銷內(nèi)傾角過大，會使轉(zhuǎn)向發(fā)飄，反而增大輪胎的磨損，所以主銷內(nèi)傾角應(yīng)約束在3°～12°范圍內(nèi)。主銷后傾角越大，越有助于保持車輛行駛的方向穩(wěn)定性，但過大的主銷后傾角可能導(dǎo)致不平順的行駛狀況，若在低速，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)向前輪產(chǎn)生擺振，因此主銷后傾角宜在3°～6°范圍內(nèi)。在車輪跳動過程中，車輪外傾角對輪胎的側(cè)滑影響小，但是，外傾角過大，會使輪胎出現(xiàn)偏磨損現(xiàn)象，故車輪外傾角應(yīng)在0.5°～2°范圍內(nèi)。對于前束角應(yīng)配合車輪外傾角的取值，控制在0.2°～1.0°。

文中以定位參數(shù)的變化規(guī)律作為約束條件，以車輪在上下跳動±100 mm的范圍內(nèi)車輪側(cè)滑量最小為優(yōu)化目標(biāo)，對車輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過ADAMS的仿真分析，車輪定位參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果是:車輪外傾角為1°，主銷內(nèi)傾角為12°，主銷后傾角為6°，前束角為0.2°。

改進(jìn)定位參數(shù)之后，內(nèi)傾角輪胎磨損現(xiàn)象將得到改善。

7.2 結(jié)論

在車輪跳動過程中，特別在低速行駛過程中，主銷內(nèi)傾角過大，會使轉(zhuǎn)向發(fā)飄。在車輪上跳過程中外傾角減小，能有效補(bǔ)償由于車身側(cè)傾引起的不良影響。主銷后傾角對內(nèi)傾角變化影響較大，并且隨著車輪的上跳，主銷內(nèi)傾角增加，能有效補(bǔ)償由于載荷增加而降低汽車轉(zhuǎn)向輕便性的趨勢，有利于提高汽車的轉(zhuǎn)向輕便性。主銷內(nèi)傾角對后傾角的變化影響最大，并且，主銷后傾角隨車輪上跳而增大，由側(cè)向力引起的不足轉(zhuǎn)向特性將得到提高。

根據(jù)某車型存在的問題，研究的車輪跳動過程中車輪定位參數(shù)與輪胎磨損的關(guān)系以及定位參數(shù)相互之間的影響將為汽車的初始設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)依據(jù)，為有效地減小車輪側(cè)滑、降低輪胎磨損以及提高汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了探索。

8 結(jié)束語

利用CATIA和ADAMS建立麥弗遜懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而得出該懸架的優(yōu)化分析方法和優(yōu)化方向。通過對麥?zhǔn)綉壹芟到y(tǒng)的優(yōu)化，從而達(dá)到提高汽車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的目的。為解決輪胎磨損問題提供了理論依據(jù)，同時(shí)對采用其他形式的懸架系統(tǒng)提供借鑒作用。通過CATIA軟件和ADAMS軟件的結(jié)合，可以更精確地對汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而節(jié)約大量的人力和物力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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